CN100347923C - 连续调节容性无功的静止无功补偿器 - Google Patents

Abstract

连续调节容性无功的静止无功补偿器，它涉及一种电力***中连续调节容性无功的补偿器。补偿器由三个结构相同的第一补偿单元、第二补偿单元、第三补偿单元组成。第一主开关的末端与第一辅助开关的首端连接，第一缓冲电路并联在第一主开关的首端与第一辅助开关的末端之间，第一补偿电容的一端与第一变压器的副边一端连接，第一补偿电容的另一端与第一主开关的首端连接，第一变压器的原边一端与第一主开关的末端连接。各补偿单元的辅助开关的末端汇接于一点，各补偿单元的变压器的原边另一端汇接于一点，各补偿单元的变压器副边另一端汇接于一点。本发明具有不产生低次谐波、响应速度快、控制易于实现的特点。

Description

连续调节容性无功的静止无功补偿器

技术领域：

本发明涉及一种电力***中连续调节容性无功的补偿器，属于电工技术领域。

背景技术：

电力***中大多数负荷是消耗无功功率的，如果供电线路中有大量的无功功率流动，会导致电网的供电能力得不到充分利用，同时造成大量的能量损耗，因此无功补偿是电力***节能降耗的必要措施。目前在无功负荷中感性负荷占绝大部分，且这些负荷对无功的需求是不断变化的，所以在实际应用中无功补偿器的主要任务是提供连续可调的容性无功。随着电力电子技术的发展，晶闸管控制电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)形式的静止补偿器(SVC)得到了广泛应用，但TCR会产生低次谐波，需要额外的滤波器，TSC是分级控制的，不能连续调节。要提供连续可调的容性无功需采取TCR+FC(固定电容器组)或TCR+TSC的形式。有资料提到一种PWM(脉宽调制技术)型SVC通过控制开关的占空比来调节电抗器的等效电抗，它与TCR相比产生的谐波小，响应速度快，但同样需与FC和TSC配合才能实现容性无功的连续调节，而这种调节方式，降低了补偿元件的利用率，增加了损耗。近年来提出的基于电压型或电流型桥式变流结构的静止无功补偿器STATCOM具有比较理想的补偿特性，但是这种补偿器的结构非常复杂，难于实现工业化。

发明内容：

本发明的目的是提供一种连续调节容性无功的静止无功补偿器，它克服了传统的静止无功补偿器所存在的易产生谐波、不能连续调节、增加元件损耗、难于实现的缺陷。本发明包含三相电源1、感性无功负荷2，三相电源1的三相的每一相的输出端分别与感性无功负荷2的三个输入端的对应一端相连接，它还包含补偿器4。补偿器4由三个结构相同的第一补偿单元4-1、第二补偿单元4-2、第三补偿单元4-3组成。第一补偿单元4-1的首端与三相电源1的A相输出端连接，第二补偿单元4-2的首端与三相电源1的B相输出端连接，第三补偿单元4-3的首端与三相电源1的C相输出端连接。第一补偿单元4-1由第一主开关4-1-1、第一辅助开关4-1-2、第一缓冲电路4-1-3、第一补偿电容Ca、第一变压器Ta组成。第一主开关4-1-1的首端就是第一补偿单元4-1的首端，第一主开关4-1-1的末端与第一辅助开关4-1-2的首端连接。第一缓冲电路4-1-3并联在第一主开关4-1-1的首端与第一辅助开关4-1-2的末端之间。第一补偿电容Ca的一端与第一变压器Ta的副边一端连接，第一补偿电容Ca的另一端与第一主开关4-1-1的首端连接，第一变压器Ta的原边一端与第一主开关4-1-1的末端连接。第二补偿单元4-2、第三补偿单元4-3的组成和连接关系与第一补偿单元4-1的组成和连接关系相同。第一补偿单元4-1的第一辅助开关4-1-2的末端、第二补偿单元4-2的第二辅助开关4-2-2的末端、第三补偿单元4-3的第三辅助开关4-3-2的末端汇接于一点，第一补偿单元4-1的第一变压器Ta的原边另一端、第二补偿单元4-2的第二变压器Tb的原边另一端、第三补偿单元4-3的第三变压器Tc的原边另一端汇接于一点，第一补偿单元4-1的第一变压器Ta的副边另一端、第二补偿单元4-2的第二变压器Tb的副边另一端、第三补偿单元4-3的第三变压器Tc的副边另一端汇接于一点。工作原理：本发明是将PWM型AC-AC变换器与变压器相结合直接调节补偿电容上的电压，进而使补偿器能输出连续变化的容性无功。T_a、T_b、T_c是变比为1∶1的变压器，起着原、副边隔离的作用。C_a、C_b、C_c为补偿电容，与变压器副边串联，为负载提供所需的无功功率。S₁、S₂、S₃为主自关断开关，S₄、S₅、S₆为辅助自关断开关。主自关断开关S₁、S₂、S₃周期性地接通和关断变压器的原边与三相交流电源，而辅助自关断开关S₄、S₅、S₆在主自关断开关S₁、S₂、S₃关断期间允许变压器的原边电流续流，因此主自关断开关S₁、S₂、S₃与辅助自关断开关S₄、S₅、S₆导通和关断的关系是互补的。在开关状态转换时，为了防止同一桥臂上的两个开关同时导通造成电源短路，必须设置一定的死区时间。为了在死区时间内给变压器原边提供电流通路，保证变压器原边电流在死区时间内不突变，桥臂上加装由电阻和电容并联组成的缓冲电路。这样在一个开关周期中补偿器有三种工作模式，即有效模式，旁路模式和续流模式。

a.有效模式

在这种状态下，主自关断开关S₁、S₂、S₃开通，而辅助自关断开关S₄、S₅、S₆关断，变压器原边通过自关断开关或与之并联的二极管连接到电网上，变压器的原边电压就是***电压。而原边电流通过一个或两个主自关断开关，和两个或一个并联二极管流入变压器的原边，其具体情况取决于变压器原边的电流方向。

b.续流模式

在这种状态下，主自关断开关S₁、S₂、S₃关断，而辅助自关断开关S₄、S₅、S₆开通。变压器原边与电网断开，因此电压为零，而原边电流通过一个或两个辅助自关断开关，和两个或一个并联二极管续流，使得变压器铁芯的磁通不会突变。

c.旁路模式

在有效模式与续流模式转换的死区时间内，所有的开关器件都处于关断状态，变压器原边通过缓冲电路与电网联接，由一个或两个主自关断开关的并联二极管和两个或一个辅助自关断开关的并联二极管及缓冲电路维持原边电流连续，一小部分能量被贮存在缓冲电容中，能量通过缓冲电阻吸收。

本发明提供了一种新型的无功补偿器。该补偿器可以通过连续改变自关断开关的占空比来改变补偿电容的等效容抗，从而连续调节补偿器的无功输出。该补偿器的主要优点是：

(1)无需感性无功覆盖，即可实现连续的容性无功输出，减小了能量的消耗。

(2)PWM控制不需与电网同步，简单可靠，易于实现。

(3)变压器的容量仅为补偿电容容量的25％，减小了装置的体积，降低了装置的造价。

(4)不向***注入低次谐波，补偿器产生的高次谐波在开关频率附近，可通过较小容量的滤波器滤除。

附图说明：

图1是本发明结构示意图；图2是具体实施方式三的结构示意图。

具体实施方式：

具体实施方式一：本实施方式参照图1，它由三相电源1、感性无功负荷2、补偿器4组成。三相电源1的三相的每一相的输出端分别与感性无功负荷2的三个输入端的对应一端相连接。补偿器4由三个结构相同的第一补偿单元4-1、第二补偿单元4-2、第三补偿单元4-3组成。第一补偿单元4-1的首端与三相电源1的A相输出端连接，第二补偿单元4-2的首端与三相电源1的B相输出端连接，第三补偿单元4-3的首端与三相电源1的C相输出端连接。第一补偿单元4-1由第一主开关4-1-1、第一辅助开关4-1-2、第一缓冲电路4-1-3、第一补偿电容Ca、第一变压器Ta组成。第一主开关4-1-1的首端就是第一补偿单元4-1的首端，第一主开关4-1-1的末端与第一辅助开关4-1-2的首端连接，第一缓冲电路4-1-3并联在第一主开关4-1-1的首端与第一辅助开关4-1-2的末端之间，第一补偿电容Ca的一端与第一变压器Ta的副边一端连接，第一补偿电容Ca的另一端与第一主开关4-1-1的首端连接，第一变压器Ta的原边一端与第一主开关4-1-1的末端连接。第二补偿单元4-2、第三补偿单元4-3的组成和连接关系与第一补偿单元4-1的组成和连接关系相同。第一补偿单元4-1的第一辅助开关4-1-2的末端、第二补偿单元4-2的第二辅助开关4-2-2的末端、第三补偿单元4-3的第三辅助开关4-3-2的末端汇接于一点，第一补偿单元4-1的第一变压器Ta的原边另一端、第二补偿单元4-2的第二变压器Tb的原边另一端、第三补偿单元4-3的第三变压器Tc的原边另一端汇接于一点，第一补偿单元4-1的第一变压器Ta的副边另一端、第二补偿单元4-2的第二变压器Tb的副边另一端、第三补偿单元4-3的第三变压器Tc的副边另一端汇接于一点。所述的第一主开关4-1-1由主自关断开关S₁、二极管D₁组成，主自关断开关S₁的集电极与二极管D₁的阴极连接，作为主开关的首端，主自关断开关S₁的发射极与二极管D₁的阳极连接，作为主开关的末端。所述的第一辅助开关4-1-2的组成和连接关系与第一主开关4-1-1的组成和连接关系相同。所述的第一缓冲电路4-1-3由电容C_pa、电阻R_pa并联组成。

具体实施方式二：参照图1，本实施方式与具体实施方式一不同的是，它还包含高通滤波器3，高通滤波器3由第一输入电抗器L_fa、第二输入电抗器L_fb、第三输入电抗器L_fc、第一电容器C_fa、第二电容器C_fb、第三电容器C_fc组成。补偿器4的第一补偿单元4-1的首端通过第一输入电抗器L_fa接A相电源的输出端，第二补偿单元4-2的首端通过第二输入电抗器L_fb接B相电源的输出端，第三补偿单元4-3的首端通过第三输入电抗器L_fc接C相电源的输出端，第一电容器C_fa的一端接第一补偿单元4-1的首端，第二电容器C_fb的一端接第二补偿单元4-2的首端，第三电容器C_fc的一端接第三补偿单元4-3的首端，第一电容器C_fa的另一端、第二电容器C_fb的另一端、第三电容器C_fc的另一端汇接于一点。高通滤波器3的作用是滤除补偿器输入电流中的高次谐波。

具体实施方式三：参照图2，本实施方式与具体实施方式一、具体实施方式二的不同点是，具体实施方式一中的补偿器4由本实施方式中的主补偿器4′和开关4″组成。主补偿器4′由三个结构相同的主补偿单元4′-1、主补偿单元4′-2、主补偿单元4′-3组成。主补偿单元4′-1由第一主开关4-1-1、第一缓冲电路4-1-3、第一变压器Ta、第一补偿电容Ca组成，第一主开关4-1-1、第一变压器Ta、第一补偿电容Ca、第一缓冲电路4-1-3相互之间的连接关系与具体实施方式一相同。开关4″由三相整流桥4″-1、第一辅助开关4-1-2组成。三相整流桥4″-1由六个二极管D₅-D₁₀组成，二极管D₅的阳极与二极管D₈的阴极连接，二极管D₆的阳极与二极管D₉的阴极连接，二极管D₇的阳极与二极管D₁₀的阴极连接，二极管D₅的阴极、二极管D₆的阴极、二极管D₇的阴极与第一辅助开关4-1-2的首端汇接于一点，二极管D₈的阳极、二极管D₉的阳极、二极管D₁₀的阳极与第一辅助开关4-1-2的末端汇接于一点。第一辅助开关4-1-2的组成和连接关系与具体实施方式一中的辅助开关的组成和连接关系相同。主补偿单元4′-1的第一主开关4-1-1的末端接三相整流桥4″-1中二极管D₇的阳极。主补偿单元4′-2的主开关4-2-1的末端接三相整流桥4″-1中二极管D₆的阳极。主补偿单元4′-3的主开关4-3-1的末端接三相整流桥4″-1中二极管D₅的阳极。主补偿单元4′-1的第一缓冲电路4-1-3的另一端、主补偿单元4′-2的缓冲电路4-2-3的另一端、主补偿单元4′-3的缓冲电路4-3-3的另一端与第一辅助开关4-1-2的末端连接。

Claims (4)

1、连续调节容性无功的静止无功补偿器，它包含三相电源(1)、感性无功负荷(2)，三相电源(1)的三相的每一相的输出端分别与感性无功负荷(2)的三个输入端的对应一端相连接，其特征在于连续调节容性无功的静止无功补偿器还包含补偿器(4)，补偿器(4)由三个结构相同的第一补偿单元(4-1)、第二补偿单元(4-2)、第三补偿单元(4-3)组成，第一补偿单元(4-1)的首端与三相电源(1)的A相输出端连接，第二补偿单元(4-2)的首端与三相电源(1)的B相输出端连接，第三补偿单元(4-3)的首端与三相电源(1)的C相输出端连接，第一补偿单元(4-1)由第一主开关(4-1-1)、第一辅助开关(4-1-2)、第一缓冲电路(4-1-3)、第一补偿电容(C_a)、第一变压器(T_a)组成，第一主开关(4-1-1)的首端就是第一补偿单元(4-1)的首端，第一主开关(4-1-1)的末端与第一辅助开关(4-1-2)的首端连接，第一缓冲电路(4-1-3)并联在第一主开关(4-1-1)的首端与第一辅助开关(4-1-2)的末端之间，第一补偿电容(C_a)的一端与第一变压器(T_a)的副边一端连接，第一补偿电容(C_a)的另一端与第一主开关(4-1-1)的首端连接，第一变压器(T_a)的原边一端与第一主开关(4-1-1)的末端连接，第一补偿单元(4-1)的第一辅助开关(4-1-2)的末端、第二补偿单元(4-2)的辅助开关(4-2-2)的末端、第三补偿单元(4-3)的辅助开关(4-3-2)的末端汇接于一点，第一补偿单元(4-1)的第一变压器(T_a)的原边另一端、第二补偿单元(4-2)的第二变压器(T_b)的原边另一端、第三补偿单元(4-3)的第三变压器(T_c)的原边另一端汇接于一点，第一补偿单元(4-1)的第一变压器(T_a)的副边另一端、第二补偿单元(4-2)的第二变压器(T_b)的副边另一端、第三补偿单元(4-3)的第三变压器(T_c)的副边另一端汇接于一点。

2、根据权利要求1所述的连续调节容性无功的静止无功补偿器，其特征在于它还包含高通滤波器(3)，高通滤波器(3)由第一输入电抗器(L_fa)、第二输入电抗器(L_fb)、第三输入电抗器(L_fc)、第一电容器(C_fa)、第二电容器(C_fb)、第三电容器(C_fc)组成，补偿器(4)的第一补偿单元(4-1)的首端通过第一输入电抗器(L_fa)接A相电源的输出端，第二补偿单元(4-2)的首端通过第二输入电抗器(L_fb)接B相电源的输出端，第三补偿单元(4-3)的首端通过第三输入电抗器(L_fc)接C相电源的输出端，第一电容器(C_fa)的一端接第一补偿单元(4-1)的首端，第二电容器(C_fba)的一端接第二补偿单元(4-2)的首端，第三电容器(C_fca)的一端接第三补偿单元(4-3)的首端，第一电容器(C_fa)的另一端、第二电容器(C_fb)的另一端、第三电容器(C_fc)的另一端汇接于一点。

3、根据权利要求1所述的连续调节容性无功的静止无功补偿器，其特征在于第一主开关(4-1-1)由主自关断开关(S₁)、二极管(D₁)组成，主自关断开关(S₁)的集电极与二极管(D₁)的阴极连接，主自关断开关(S₁)的发射极与二极管(D₁)的阳极连接。

4、根据权利要求1所述的连续调节容性无功的静止无功补偿器，其特征在于第一缓冲电路(4-1-3)由电容(C_pa)、电阻(R_pa)并联组成。

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